1.2.10　涂層硬質合金的材料和性能特點

近40年來，硬質合金刀具從結構到材料發生了兩次重大突破。一是由焊接刀具發展為可轉位機夾刀具。二是在硬質合金刀具（片）表面涂覆一層幾微米厚的熔點高、硬度很高、耐磨性很好、摩擦系數小、抗黏結性好的金屬與非金屬化合物，從而解決了刀具材料硬度越高抗彎強度越低的這一大矛盾。通過對硬質合金刀具（片）的單涂層或多涂層，擴大了刀具對工件材料的加工范圍，而較具有通用性。

（1）涂層的工藝

①物理氣相沉積法（PVD法）。這種工藝的處理溫度為300～500℃，它不僅適用于高速鋼刀具涂層，也適用于硬質合金刀具（片）涂層。可在刀具（片）表面上沉積TiN、TiC、Al₂O₃或多涂層。涂層厚度只有幾微米，保持刀具（片）原有的精度，組織致密，結合牢固，刀具（片）保持原有的強度。

②化學氣相沉積法（CVD法）。這種工藝的處理溫度為900～1050℃，它只適用于硬質合金刀具（片）的涂層。它涂層的化合物多，有高度的滲透性和均勻性，可獲得不同組織的多涂層，沉積速率高而晶粒細致密，黏附能力強，可獲較厚的涂層。

（2）涂層物質

①TiN涂層。硬質合金刀具（片）經過TiN涂層后，可使刀具（片）表層硬度達到2000HV，比原基體硬度（1200～1500HV）提高500～800HV，使刀具耐用度提高3倍左右，并使摩擦系數減小一半以上，提高了刀具抗月牙洼磨損能力，最適合于切削鋼材和易與刀具產生黏結的工件材料。

②TiC涂層。硬質合金刀具（片）經TiC涂層后，可使基體硬度1200～1500HV的刀具（片）表層硬度提高到3200HV，從而減小摩擦系數，降低切削力和切削溫度，提高了刀具的耐磨性，使月牙洼磨損降低到1/30～1/20，后刀面磨損降低到1/5～1/4，其刀具耐用度可提高到3～4倍，切削速度可提高40%以上。除用來切削鋼材外，還可用來切削鑄鐵。

③Al₂O₃涂層。這種涂層硬質合金兼有陶瓷刀具的耐磨性和硬質合金的抗彎強度高的特點，其涂層后的表面硬度可達2700HV。由于它是非金屬，抗黏結磨損強，可用于陶瓷刀具切削加工的各工序，其刀具耐用度是未涂層硬質合金刀具的6～8倍。

④金剛石涂層。金剛石是世界上硬度最高的物質。在硬質合金刀具（片）上涂一層金剛石，可使刀具（片）表層的硬度達到10000HV，能大幅度提高刀具的耐用度。由于金剛石是非金屬，與金屬的親和作用極小，不產生黏結和積屑瘤。而且它的熱導率極高（κ=2000W/m·K），可允許高的切削速度，用于切削有色金屬。

⑤TiAlN涂層。它的化學穩定性好，抗氧化磨損能力強。而且在切削過程高溫作用下，該涂層刀具的涂層表面會生成一層極薄的非晶態Al₂O₃，形成一層硬質惰性保護膜，從而起到抗氧化和抗擴散磨損作用，它的涂層后表層硬度可達3500HV。適用于切削加工合金鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳合金、鑄鐵、硅鋁合金等，刀具耐用度比TiN涂層刀具高3～4倍。

⑥TiAlSi涂層。用它涂層硬質合金刀具（片）后，使刀具（片）表層硬度達到4000HV，大大提高了硬質合金刀具表層硬度和耐磨性。由于Si為非金屬，可以大大減小和金屬工件材料的黏結，適用于切削加工各種不銹鋼、高溫合金、鈦合金、鋁合金等。

⑦TiCN涂層。這種涂層優于TiN和TiC的單涂層，一般廣泛用于TiN和TiC涂層的過渡層。與TiC涂層相比，刀具的耐用度可提高1.5倍，具有優良的切削性能。

⑧TiBN涂層。它是采用CVD工藝，在硬質合金刀具（片）基體上進行Ti-B-N三元涂層時，由于硼元素以硼原子滲入TiN晶格中，形成立方結構的Ti（B、N）固溶體，提高了涂層的硬度，可使刀具（片）表層的硬度達到2700HV，用于切削加工鋼材效果顯著。

（3）涂層的層數

為了充分發揮各種涂層物質的性能特點，可以在單涂層的基礎上，進行雙涂層、三涂層和多涂層，以提高刀具的耐用度，提高刀具的抗氧化、抗黏結能力，擴大刀具的使用范圍。

①TiC-TiN涂層。它是用得最多的一種雙涂層。在刀具（片）基體上第一層是TiC，中間層是TiCN，最外表一層是TiN，總的涂層厚度為10μm。它的復合涂層具有很高的硬度和耐磨性，化學穩定性和抗月牙洼磨損的性能，比單涂TiC或TiN都好，刀具耐用度也較高。

②TiC-Al₂O₃和TiN-Al₂O₃涂層。刀具（片）先涂一層TiC或TiN后，再涂一層Al₂O₃，可增加Al₂O₃的附著力。TiC-Al₂O₃涂層刀具有優良的抗后刀面磨損能力，優于TiC涂層，還優于TiC-TiN涂層。在高速切削時，Al₂O₃具有很高的抗氧化性能和耐磨性。

③Al₂O₃-Ti₂O₃涂層。在Al₂O₃涂層母體中加入4%～5%的氧化鈦，就形成了這種涂層，其表層硬度可達2400～2700HV，效果比TiC涂層或Al₂O₃涂層更好，最適合切削加工鑄鐵。

④TiN-CBN及Al₂O₃-CBN涂層。它是在硬質合金基體上TiN或Al₂O₃涂層后，再涂一層立方氮化硼（CBN），其硬度可達2200～3100HV。

⑤三涂層硬質合金。它是在硬質合金刀具（片）上進行三種不同物質的涂層，總厚度小于10μm，兼顧了各層的性能和特點，達到優良的切削性能。如TiC-Ti（C、N）-TiN、TiC-Ti（C、N）-Al₂O₃、TiC-TiN-Al₂O₃、TiC-Al₂O₃-TiN、TiN-TiC-TiN、Ti（C、N）-TiC-Ti（C、N）-TiC-Al₂O₃等。

⑥多涂層硬質合金。多于三涂層的稱為多涂層，最多可達13層。如TiC-Ti（C、N）-TiN-Al₂O₃、TaC-TiC-Al₂O₃-TiN、TiC-Ti（C、N）-TiN-TiC-Al₂O₃、TiC-Ti（C、N）-TiN-多層陶瓷-Ti（C、N）等多層復合涂層。